курсач Морев. Маршрутизаторы Функции маршрутизаторов
 Скачать 36.66 Kb.
|
|
СОДЕРЖАНИЕ Введение Маршрутизаторы Функции маршрутизаторов Классификация маршрутизаторов IP-маршрутизация Упрощенная таблица маршрутизации Таблицы маршрутизации конечных узлов Источники и типы записей в таблице маршрутизации Заключение Список использованных источников Введение Особый тип оборудования, называемый маршрутизаторами (routеrs) применяется в сетях со сложной конфигурацией для связи ее участков с различными сетевыми протоколами, а также для более эффективного разделения трафика и использования альтернативных путей между узлами сети. Основная цель применения маршрутизаторов - объединение разнородных сетей и обслуживание альтернативных путей. Различные типы маршрутизаторов отличаются количеством и типами своих портов, что собственно и определяет места их использования. Маршрутизаторы, например, могут быть использованы в локальной сети Ethernet для эффективного управления трафиком при наличии большого числа сегментов сети, для соединения сети типа Еthernet с сетями другого типа, например Тоkеn Ring, FDDI, а также для обеспечения выходов локальных сетей на глобальную сеть. Маршрутизаторы не просто осуществляют связь разных типов сетей и обеспечивают доступ к глобальной сети, но и могут управлять трафиком на основе протокола сетевого уровня (третьего в модели OSI), то есть на более высоком уровне по сравнению с коммутаторами. Необходимость в таком управлении возникает при усложнении топологии сети и росте числа ее узлов, если в сети появляются избыточные пути, когда нужно решать задачу максимально эффективной и быстрой доставки отправленного пакета по назначению. Целью курсовой работы является изучение базовых сетевых технологий. МАРШРУТИЗАТОРЫ Функции маршрутизаторов Основная функция маршрутизатора – чтение заголовка пакетов сетевых протоколов, принимаемых и буферизуемых по каждому порту (например, IPX, IP, AppleTalk или DECnet) и принятие решения о дальнейшем маршруте следования пакета по его сетевому адресу, включающему, как правило, номера сети и узла. Функции маршрутизатора могут быть разбиты на три группы в соответствии с уровнями модели OSI (рис.1.1.1). Рис. 1.1.1. Функциональная модель маршрутизатора. Уровень интерфейсов На нижнем уровне маршрутизатор, как и любое устройство, подключенное к сети, обеспечивает физический интерфейс со средой передачи, включая согласование уровней электрических сигналов, линейное и логическое кодирование, оснащение определенным типом разъема. В разных моделях маршрутизаторов часто предусматриваются различные наборы физических интерфейсов, представляющих собой комбинацию портов для подсоединения локальных и глобальных сетей. С каждым интерфейсом для подключения локальной сети неразрывно связан определенный протокол канального уровня, например семейства Ethernet, Token Ring, FDDI. Интерфейсы для присоединения к глобальным сетям чаще всего определяют только некоторый стандарт физического уровня, поверх которого в маршрутизаторе могут работать различные протоколы канального уровня. Разница между интерфейсами локальных и глобальных сетей объясняется тем, что технологии локальных сетей определяют стандарты как физического, так и канального уровней, которые могут применяться только вместе. Интерфейсы маршрутизатора выполняют полный набор функций физического и канального уровней по передаче кадра, включая получение доступа к среде (если это необходимо), формирование битовых сигналов, прием кадра, подсчет его контрольной суммы и передачу поля данных кадра верхнему уровню при корректном значении контрольной суммы. Перечень физических интерфейсов, которые поддерживает та или иная модель маршрутизатора, является его важнейшей потребительской характеристикой. Маршрутизатор должен поддерживать все протоколы физического и канального уровней, используемые в каждой из сетей, к которым он будет непосредственно присоединен. На рис. 1.1.1 показана функциональная модель маршрутизатора с четырьмя портам, реализующими физические интерфейсы 10Base-T и 10Base-2 для двух портов Ethernet, UTP для Token Ring, а также интерфейс V.35, поверх которого может работать протокол LAP-B, LAP-D или LAP-F, обеспечивая подключение к сетям X.25, ISDN или Frame Relay. Кадры, которые поступают на порты маршрутизатора. после обработки соответствующими протоколами физического и канального уровней освобождаются от заголовков канального уровня. Извлеченные из поля данных кадра пакеты передаются модулю сетевого протокола. Уровень сетевого протокола Сетевой протокол, в свою очередь, извлекает из пакета заголовок сетевого уровня, анализирует и корректирует его содержимое. Прежде всего проверяется контрольная сумма, и если пакет пришел поврежденным, он отбрасывается. Кроме того, выполняется проверка на превышение жизни пакета (время, которое пакет провел в сети). Если превышение имело место, то пакет тоже отбрасывается. На этом этапе вносятся корректировки некоторых полей, например наращивается время жизни пакета, пересчитывается контрольная сумма. На сетевом уровне выполняется одна из важнейших функций маршрутизатора – фильтрация трафика. Пакет сетевого уровня, находящийся в поле данных кадра для мостов/коммутаторов представляется неструктурированной двоичной последовательностью. Маршрутизаторы же, программное обеспечение которых содержит модуль сетевого протокола, способны производить анализ отдельных полей пакета. Они оснащаются развитыми средствами пользовательского интерфейса, которые позволяют администратору без особых усилий задавать сложные параметры фильтрации. Маршрутизаторы, как правило, позволяют также анализировать структуру сообщений транспортного уровня, поэтому фильтры могут не пропускать в сеть сообщения определенных прикладных служб. Однако основной функцией сетевого уровня маршрутизатора является определение маршрута пакета. По номеру сети, извлеченного из заголовка пакета, модуль сетевого протокола находит в таблице маршрутизации строку, содержащую сетевой адрес следующего маршрутизатора и номер порта, на который нужно передать данный пакет, чтобы он двигался в правильном направлении. Перед тем как передать адрес следующего маршрутизатора на канальный уровень, необходимо преобразовать его в локальный адрес той технологии, которая используется в сети, содержащей следующий маршрутизатор. Для этого сетевой протокол обращается к протоколу разрешения адресов. С сетевого уровня пакет, адрес следующего маршрутизатора и номер порта маршрутизатора передаются вниз, канальному уровню. На основании указанного номера порта осуществляется коммутация с одним из интерфейсов маршрутизатора, средствами которого выполняется упаковка пакета в кадр соответствующего формата. В поле адреса назначения заголовка кадра помещается локальный адрес следующего маршрутизатора. Готовый кадр отправляется в сеть. Уровень протокола маршрутизации Сетевые протоколы активно используют в своей работе таблицу маршрутизации, но ни ее построением, ни поддержанием не занимаются. Эти функции выполняют протоколы маршрутизации, с помощью которых маршрутизаторы обмениваются информацией о топологии сетей, а затем анализируют полученные сведения, определяя наилучшие по тем или иным критериям маршруты. Результаты анализа и составляют содержимое таблиц маршрутизации. Помимо перечисленных функций на маршрутизаторы могут быть возложены и другие обязанности, например операции, связанные с фрагментацией. Классификация маршрутизаторов По областям применения маршрутизаторы делят на несколько классов (рис. 1.2.1). Магистральные маршрутизаторы предназначены для построения магистральной сети оператора связи или крупной корпорации. Магистральные маршрутизаторы оперируют агрегированными информационными потоками, переносящими данные большого количества пользовательских соединений. Рис. 1.2.1. Классы маршрутизаторов Для решения этой задачи магистральные маршрутизаторы оснащаются высокоскоростными интерфейсами. Для получения отказоустойчивой топологии магистральной сети магистральные маршрутизаторы должны поддерживать несколько таких интерфейсов. Очевидно, что для того, чтобы не создавать «узких мест» в магистральной сети, магистральный маршрутизатор должен обладать очень высокой производительностью. Для достижения такой производительности магистральные маршрутизаторы обладают распределенной внутренней архитектурой, подобной архитектуре коммутаторов локальных сетей. Каждый порт или группа портов оснащаются собственным процессором, который самостоятельно выполняет продвижение IP-пакетов на основании локальной копии таблицы маршрутизации. Для передачи пакетов между портами служит коммутирующий блок на основе разделяемой памяти, общей шины или коммутатора каналов. Общие задачи, включая построение таблицы маршрутизации, хранение конфигурационных параметров, удаленное управление маршрутизатором и т.п., решает центральный блок управления. Большое количество интерфейсов, характерное для магистрального маршрутизатора, позволяет строить избыточные топологии, приближающиеся к полносвязной схеме, и тем самым обеспечивать отказоустойчивость сети. Однако и сам магистральный маршрутизатор должен обладать высокой надежностью. Пограничные маршрутизаторы, называемые также маршрутизаторами доступа, соединяют магистральную сеть с периферийными сетями. Эти маршрутизаторы образуют особый слой, который выполняет функции приема трафика от внешних по отношению к магистрали сетей. Периферийная сеть часто находится под автономным административным управлением. Это может быть сеть клиента оператора связи, непосредственно присоединенная к его магистрали, или же сеть регионального отделения крупной корпорации, обладающей собственной магистралью. В любом случае трафик, поступающий на интерфейсы пограничного маршрутизатора от сети, которую администратор магистрали не может контролировать, нужно фильтровать и профилировать. Поэтому к пограничному маршрутизатору предъявляются другие требования, нежели к магистральному. На первый план выступают его способности к максимальной гибкости при фильтрации и профилировании трафика. Кроме того, очень важно, чтобы производительность пограничного маршрутизатора не снижалась при выполнении этих дополнительных функций. Интерфейсы пограничного маршрутизатора менее скоростные, чем магистрального, но боле разнообразные, так как ему приходится присоединять к магистрали сеть различных технологий. Деление маршрутизаторов на магистральные и пограничные отражает только один аспект их применения, а именно их положение относительно собственной и внешней сетей. Существуют и другие аспекты. Так, маршрутизаторы можно разделить на маршрутизаторы операторов связи и корпоративные маршрутизаторы. Маршрутизации региональных отделений соединяют региональные отделения между собой и с магистральной сетью. Сеть регионального отделения, так же как и магистральная сеть, может состоять из нескольких локальных сетей. Такой маршрутизатор обычно представляет собой некоторую упрощенную версию магистрального корпоративного маршрутизатора. Он может быть выполнен на основе шасси или с фиксированным количеством портов. Поддерживаемые интерфейсы локальных и глобальных сетей менее скоростные. Это наиболее обширный класс выпускаемых маршрутизаторов, характеристики которых могут приближаться к характеристикам магистральных маршрутизаторов, а могут и опускаться до характеристик маршрутизаторов отдаленных офисов. Маршрутизаторы удаленных офисов соединяют, как правило, единственную локальную сеть удаленного офиса с магистральной сетью или сетью регионального отделения по глобальной связи. Маршрутизатор удаленного офиса может поддерживать работу по коммутируемой телефонной линии в качестве резервной связи для выделенного канала. Существует очень большое количество типов маршрутизаторов удаленных офисов. Это объясняется как массовостью потенциальных потребителей, так и специализацией такого типа устройств, проявляющейся в поддержке какого-либо конкретного типа глобальной связи. IP-МАРШРУТИЗАЦИЯ Упрощенная таблица маршрутизации Задачу выбора маршрута из нескольких возможных решают маршрутизаторы, а также конечные узлы. Маршрут выбирается на основании имеющейся у этих устройств информации о текущей конфигурации сети, а также на основании критерия выбора маршрута. В качестве критерия часто выступает способность маршрута для последовательности пакетов или наиболее простой критерий, учитывающий только количество пройденных на маршруте промежуточных маршрутизаторов (ретрансляционных участков или хопов). Полученная в результате анализа информация о маршрутах дальнейшего следования пакетов помещается в таблицу маршрутизации. Рис. 2.1.1. Принципы маршрутизации в компьютерной сети. Используя условные обозначения для сетевых адресов маршрутизаторов и номеров сетей, показанные на рис. 2.1.1, представим таблицу маршрутизации в маршрутизаторе 4 (табл. 2.1.1).
Талица 2.1.1. Таблица маршрутизации маршрутизатора 4. Первый столбец таблицы содержит адреса назначения пакетов. В каждой строке таблицы следом за адресом назначения указывается сетевой адрес следующего маршрутизатора (сетевой адрес следующего маршрутизатора), на который надо направить пакет, чтобы тот передвигался по направлению к заданному адресу по рациональному маршруту. Перед тем, как передать пакет следующему маршрутизатору, текущий маршрутизатор должен определить, на какой из собственных портов (IP41 или IP42) он должен поместить данный пакет. Для этого служит третий столбец таблицы маршрутизации, содержащий сетевые адреса выходных интерфейсов. Некоторые реализации сетевых протоколов допускают наличие в таблице маршрутизации сразу нескольких строк, соответствующих одному и тому же адресу назначения. В этом случае принимается во внимание столбец, представляющий расстояние до сети назначения. При этом расстояние измеряется в любой метрике, используемой в соответствии с заданным в сетевом пакете критерием. Расстояние может измеряться временем прохождения пакета по линиям связи, различными характеристиками надежности линий связи на данном маршруте, пропускной способностью или другой величиной, отражающей качество данного маршрута по отношению к заданному критерию. В таблице 2.1.1. расстояние между сетями измеряется хопами. Расстояние для етей, непосредственно подключенных к портам маршрутизатора, здесь принимается равным 0, однако в некоторых реализациях отсчет расстояний начинается с 1. Когда пакет поступает на маршрутизатор, модуль IP извлекает из его заголовка номер сети назначения и последовательно сравнивает его с номерами сетей из каждой строки таблицы. Строка с совпавшим номером сети показывает ближайший маршрутизатор, на который следует направить пакет. Чаще всего в качестве адреса назначения в таблице указывается не весь IP-адрес, а только номер сети назначения. Таким образом, для всех пакетов, направляемых в одну и ту же сеть, протокол IP будет предлагать один и тот же маршрут (пока мы не принимаем во внимание возможные изменения состояния сети, такие как отказы маршрутизаторов или обрывы кабелей). Однако в некоторых случаях возникает необходимость для одного из узлов сети определить специфический маршрут, отличающийся от маршрута, заданного для всех остальных узлов сети. Для этого в таблицу маршрутизации помещают для данного узла отдельную строку, содержащую его полный IP-адрес и соответствующую маршрутную информацию. Если в таблице имеются записи о маршрутах как сети в целом, так и к отдельному ее узлу, то при поступлении пакета, адресованного данному узлу, маршрутизатор отдаст предпочтение специфическому маршруту. Поскольку пакет может быть адресован в любую сеть составной сети, может показаться, что каждая таблица маршрутизации должна иметь записи обо всех сетях, входящих в составную сеть. Однако при таком подходе в случае крупной сеи объем таблиц маршрутизации может оказаться очень большим, что повлияет на время ее просмотра, требует много места для хранения и т.п. Поэтому на практике широко известен прием уменьшения количества записей в таблице маршрутизации, основанный на введении маршрута по умолчанию (default route), учитывающий особенности топологии сети. Рассмотрим, например, маршрутизаторы, находящиеся на периферии составной сети. В их таблицах достаточно записать номера только тех сетей, которые непосредственно присоединены к данному маршрутизатору или расположены поблизости на тупиковых маршрутах. Обо всех же остальных сетях можно сделать в таблице единственную запись, указывающую на маршрутизатор, через который пролегает путь ко всем этим сетям. Такой маршрутизатор называется маршрутизатором по умолчанию (default router). На рис. 2.1.1 на маршрутизаторе 4 имеются специфические маршруты только для пакетов, следующих в сети N1-N6. Для всех остальных пакетов, адресованных в сети N7-N18, маршрутизатор предлагает продолжить путь через один и тот же порт IP51 маршрутизатора 5, который в данном случае и является маршрутизатором по умолчанию. Таблицы маршрутизации конечных узлов Задачу маршрутизации решают не только промежуточные узлы (маршрутизаторы), но и конечные узлы – компьютеры. Решение этой задачи начинается с того, что средствами протокола на IP на конечном узле определяется, направлен ли пакет в другую сеть или адресован какому-нибудь узлу данной сети. Если номер сети назначения совпадает с номером данной сети, это означает, что пакет маршрутизировать не требуется. В противном случае маршрутизация нужна. Структура таблиц маршрутизации конечных узлов и транзитных маршрутизаторов аналогичны. Обратимся к сети, изображенной на рис. 2.1.1. Таблица маршрутизации конечного узла B, принадлежащего сети N3, могла бы выглядеть так (табл. 2.2.1). Здесь IPB – сетевой адрес интерфейса компьютера B. На основании этой таблицы конечный узел B выбирает, на каком из двух имеющихся в локальной сети N3 маршрутизаторов (R1 или R3) следует посылать тот или иной пакет.
Таблица 2.2.1. Таблица маршрутизации конечного узла B. Конечные узлы еще в большей степени, чем маршрутизаторы, пользуются приемом маршрутизации по умолчанию. Хотя они в общем случае имеют в своем распоряжении таблицу маршрутизации, ее объем обычно незначителен, что объясняется периферийным расположением всех конечных узлов. Конечный узел часто вообще работает без таблицы маршрутизации, имея только сведения об адресе маршрутизатора по умолчанию. При наличии одного маршрутизатора в локальной сети этот вариант – единственно возможный для всех конечных узлов. Но даже при наличии нескольких маршрутизаторов в локальной сети, когда перед конечным узлом стоит проблема их выбора, часто в компьютерах для повышения производительности прибегают к заданию маршрута по умолчанию. Рассмотрим таблицу маршрутизации другого конечного узла составной сети – узла А (табл. 2.2.2).
Таблица 2.2.2. Таблица маршрутизации конечного узла А. Компактный вид таблицы маршрутизации узла А отражает тот факт, что все пакеты, направляемые из узла А, либо не выходят за пределы сети N12, либо непременно проходят через порт 1 маршрутизатора 17. Этот маршрутизатор и определен в таблице маршрутизации в качестве маршрутизатора по умолчанию. Еще одним отличием работы маршрутизатора и конечного узла является способ построения таблицы маршрутизации. Если маршрутизаторы, как правило, автоматически создают таблицы маршрутизации, обмениваясь служебной информацией, то для конечных узлов таблицы маршрутизации часто создаются вручную администраторами и хранятся в виде постоянных файлов на диске. Источники и типы записей в таблице маршрутизации Практически для всех маршрутизаторов существуют три основных источника записей в таблице. Одним из источников записей в таблицы маршрутизации является программное обеспечение стека TCP/IP, которое при инициализации маршрутизатора автоматически заносит в таблицу несколько записей, в результате чего создается так называемая минимальная таблица маршрутизации. Программное обеспечение формирует записи о непосредственно подключенных сетях и маршрутах по умолчанию, информация о которых появляется в сетке при ручном конфигурировании интерфейсов компьютера или маршрутизатора. Кроме того, программное обеспечение автоматически заносит в таблицу маршрутизации записи об адресах особого назначения. В таблицу могут быть занесены адреса, предназначенные для обработки широковещательных рассылок. В некоторых таблицах записи об особых адресах вообще отсутствуют. Еще одним источником записей в таблицу является администратор, непосредственно формирующий записи с помощью некоторой системной утилиты, например программы route, имеющейся в операционных системах Unix и Windows XP. В аппаратных маршрутизаторах также имеется команда для ручного задания записей таблицы маршрутизации. Заданные вручную записи всегда являются статическими, то есть они не имеют срока жизни. Эти записи могут быть как постоянными, то есть сохраняющимися при перезагрузке маршрутизатора, так и временными, хранящимися в таблице только до выключения устройства. Часто администратор вручную заносит запись о маршруте по умолчанию. Таким же образом в таблицу маршрутизации может быть внесена запись о специфическом для узла маршруте. Третьим источником записей могут быть протоколы маршрутизации, такие как RIP или OSPF. Эти записи всегда являются динамическими, то есть имеют ограниченный срок жизни. Программные маршрутизаторы Unix или Windows XP не показывают источник появления той или иной записи в таблице, а аппаратный маршрутизатор использует для этой цели поле источника. Заключение В результате работы над курсовым проектом была самостоятельно изучена работа и функции, выполняемые маршрутизаторами в компьютерных сетях. Маршрутизаторы разработаны для использования в больших компьютерных сетей и существенно оптимизируют их работу, экономят затраты на передачу информации, повышают надёжность работы сети в случае выхода из строя как отдельных её компонентов, так и целых сегментов, позволяя использовать разные режимы передачи информации внутри сети, а также дают возможность соединения в единую сеть подсетей с разными протоколами и интерфейсами и способами передачи данных. Маршрутизатор программируется посредством таблицы маршрутизации и в дальнейшем не требует вмешательства администратора сети. Соседние маршрутизаторы периодически опрашивают друг друга и в случае пропадания связи перенаправляют информацию на другие «живые» участки сети. При помощи таблицы маршрутизации можно задать приоритет передачи информации через тот или иной маршрутизатор, исходя из соображения скорости, важности, стоимости и загруженности сети. Список использованных источников Олифер В.Г., Олифер Н.А. Компьютерные сети. Принципы, технологии протоколы: Учебник для вузов. 4-е издание. -СПб.: Питер, 2010. Олифер В.Г., Олифер Н.А. Новые технологии и оборудование IP-сетей. СПб.: БХВ-Санкт-Петербург, 2000. Фейт Сидни. TCP/IP. Архитектура, протоколы, реализация. М.: Лори, 2000. Таненбаум Э. Компьютерные сети, 4-е изд. СПб.: Питер, 2002. |